重大植物疫情管理信息系統建設與實現*

洪鵬翔，洪睿，陳鎣，何翔，羅曦

(1. 福建農林大學植物保護學院，福州市，350002； 2. 農業部閩臺作物有害生物綜合治理重點實驗室，福州市，350002；3. 南平市建陽區將口鎮鄉村振興發展中心，福建南平，354215； 4. 閩江學院，福州市，350108)

0 引言

重大植物疫情管理工作責任重大，尤其是在全球化背景下，如何防控重大植物疫情、降低其造成的負面影響，成為社會各界廣泛關注的焦點[1]。隨著數字技術、信息技術等的推廣和應用，將其應用在重大植物疫情管理工作中，創建技術先進、功能豐富的重大植物疫情管理系統，能夠實現重大植物疫情的自動化監控、智能化預警、準確化診斷、科學化控制。

馮曉東等[2]對農業植物檢疫性有害生物監測工作獲得的成效進行研究，并針對現階段存在的問題，提出了多元融合的建議。余繼華等[3]提出了“七進法”、疫情監測“三大系統”等措施，以期為推動基層植物檢疫工作發展作出貢獻。何佳遙等[4]對2016—2017年我國進境植物疫情的截獲情況進行對比分析，雖然較之前進境植物疫情數量有所降低，但是來源國數量較多，依然需要引起重視。朱學芳等[5]綜合運用可視化技術、互聯網技術、大數據技術以及人工智能技術等進行疫情監測防控，并且發揮了巨大的作用。余辛等[6]對廣東機場口岸2012—2016年的進境植物疫情進行分析，總結了不同類型植物種苗疫情的特征，并提出多種預防植物種苗疫情的控制措施。孫佩珊等[7]對地中海實蠅的入侵情況進行總結，并提出了預防其入侵中國的監測體系，做好風險評估，避免地中海實蠅給我國植物造成危害。陳繼光等[8]利用安卓智能設備和Web在線監測管理系統，創建了農作物病蟲害在線監測管理系統，能夠實現對黑龍江省超過600個鄉村農作物病蟲害疫情的全面監控。王標等[9]針對湖南省農作物的病蟲害疫情特點，研發了監測預警信息系統，通過實踐應用表明該系統發揮了重要的作用，其多樣化的功能為湖南省農作物重大病蟲害監測、預警以及管理奠定了基礎。錢曄等[10]以月季病蟲害為例，創建了以安卓手機系統為基礎的病蟲害智能系統，對月季病蟲害進行準確、實時診斷，提高月季種植的安全性，同時保障花卉種植企業的經濟利益。陳天嬌等[11]以深度學習理論為基礎，創建了病蟲害智能感知系統、自動識別系統，能夠快速、高效、自動地識別各種田間病蟲害。潘俊鵬等[12]對國內外的植物疫情信息、科研成果等進行研究和匯總，避免進境植物有害生物給我國生態環境造成危害。

通過多位相關學者的研究成果進行總結和分析，不同學者針對植物疫情、農作物病蟲害疫情等管理進行比較全面的研究，但是尚未有學者針對重大植物疫情管理信息系統進行研究。本文對重大植物疫情管理相關的文獻進行總結，分析構建重大植物疫情管理信息系統的原則以及要點，融合多種技術建設重大植物疫情管理信息系統，發揮該系統各個子系統模塊的功能。

1 重大植物疫情管理信息系統的建設原則

1.1 經濟性原則

重大植物疫情管理工作是一項復雜、長期的工作，如果系統建設成本、運行成本以及維護成本較高，將會導致增加重大植物疫情管理的成本，經濟方面可行性較低，勢必會影響系統的可持續運行。因此，在進行重大植物疫情管理信息系統創建時需要遵循經濟性原則，將系統建設成本和運維成本等控制在預算范圍內，為系統地廣泛推廣和應用奠定基礎。

1.2 穩定性原則

重大植物疫情管理系統儲存大量的疫情信息，例如有害生物信息、氣象信息、生態學信息、診斷信息、處理方案等，一旦系統出現故障或者問題，導致各種數據信息丟失、損壞，將會給系統運行和植物疫情管理帶來嚴重的影響。因此，在進行重大植物疫情管理信息系統創建時，需要充分考慮系統運行的穩定性，做好容錯機制管理、故障恢復建設等，保證各種數據信息的完整性。

1.3 保密性原則

重大植物疫情具有特殊性，一旦系統損壞或者被入侵，導致數據信息被泄露，將會導致嚴重的后果。因此，在系統建設時需要遵循保密性原則，對外網和內網做好保密設置，采用密鑰技術、防火墻技術、網閘技術等，保證重大植物疫情管理信息系統的保密性。

2 重大植物疫情管理信息系統的建設與實現

為了實現重大植物疫情的科學、全面以及快速監控和防治，借助數字化技術、信息技術、人機交互技術、音頻技術、視頻技術、GIS技術等先進的技術和設備，創建系統、完善的重大植物疫情管理信息系統，并且系統功能不斷豐富，功能不斷拓展，為全國植物疫情防治工作提供了可靠的數據支持和經驗參考。重大植物疫情管理信息系統的登錄界面如圖1所示，總體結構如圖2所示。

圖1 重大植物疫情管理信息系統的登錄界面圖

圖2 重大植物疫情管理信息系統架構示意圖

2.1 監測預警系統

監測預警是重大植物疫情管理的基礎，肩負著為重大植物疫情防治工作提供情報信息的責任。采用數字化技術、信息技術等，創建重大植物疫情監測預警系統，能夠實現對重大植物疫情的準確、全面監測，提高預警效率，為重大植物疫情的信息化管理奠定基礎。(1)平臺用戶層，主要包括業務操作用戶(具備移動端應用、重大植物疫情監測數據統計等功能)、系統管理用戶(具備移動端管理、權限管理、植保站管理等功能)、對外發布用戶(具備發布網站信息、發布業務數據等功能)，可以將監測的各種數據信息上傳到數據層[13]。(2)功能組件層，主要由安全組件層(包括訪問控制組件、數據權限組件等)、平臺組件層(包括用戶管理組件、報表管理組件、圖表渲染組件、多媒體資源管理組件、數據流傳輸組件以及業務數據流控制組件)、應用組件層(包括支持組件、應用層接口管理組件等[14])三部分組成。(3)框架性構件層，主要由WEB2.0框架、數據管理、流程管理以及用戶管理四部分組成。(4)數據層，主要包括資料數據庫、標準數據庫、病蟲害數據庫以及歷史數據庫4部分。本系統能夠對重大植物疫情信息進行全面監測，方便用戶層更加直觀、方便地了解重大植物疫情的變化情況，并提前發出預警信號，政府部門、植保部門、農戶和種植戶等根據預警信號相互協作，實現對重大植物疫情的聯防管理，盡可能降低其造成的危害。

2.2 地理信息系統

地理信息系統是重大植物疫情管理信息系統的重要組成部分。(1)有害生物信息，在該子系統中可以按照地區、作物以及有害生物等類型進行有害生物數據信息進行查詢。并且能夠在數據庫中顯示全部有害生物疫情信息，可以自定義有害生物的排序方式，自動生成表格后導出，方便查詢和分析見圖3。(2)有害生物分布圖(圖4)，通過繪制重大植物疫情有害生物分布圖，能夠為疫情的預警和防控提供可靠的參考，本系統能夠繪制插值專題分布圖和范圍專題分布圖。插值專題分布圖設置有主菜單，可以對各種有害生物植物疫情發生率進行展示，在子菜單中可以對不同有害生物植物疫情的具體情況進行查看，根據選定的有害生物在植物上的發生平均值，繪制插值專題分布圖，采用過渡色的方式，對有害生物疫情的嚴重程度情況進行表示。范圍專題分布圖同樣設置有主菜單，可以對各種有害生物植物疫情發生范圍進行展示，在子菜單中可以對不同有害生物植物疫情的具體范圍進行查看，根據選定的有害生物在植物上發生的平均值，繪制范圍專題分布圖。(3)單日氣象信息，以全國各氣象站點為數據來源，繪制某區域某日的氣象數據信息專題圖[15]。例如單日溫度插值專題圖，在系統日氣象數據主菜單中，可以選擇需要查詢地區某一日的氣象數據信息，確定后系統會根據選擇的日期繪制具體的氣溫插值專題圖，同時在系統中會對氣象站點的位置進行顯示，方便對氣溫信息進行查詢和核對，保證溫度插值專題圖信息的準確性和全面性。(4)平均氣象信息，與單日氣象信息類似，以月平均氣溫插值專題圖為例，可以在系統主菜單上選擇查詢的年、月，系統會自動計算該區域本月的平均溫度插值專題圖[16]。(5)生態學分析，地理信息系統的生態學分析包括發生世代數、害蟲可能分布范圍以及溫濕系數3方面。本系統利用昆蟲生態學，實現對有害生物的世代數進行分析，并且能夠采用不同顏色的方式進行可視化展示。本系統可以根據害蟲能夠忍受的環境條件，繪制不同類型害蟲的分布范圍，為植物疫情防控提供可靠支持。溫濕系數能夠對各個區域的氣候條件進行比較，繪制溫濕系數分布圖，為防止有害生物影響植物安全提供可靠的參考。

圖3 有害生物上報系統結構示意圖

圖4 有害生物分布圖模塊分析

2.3 診斷系統

準確地診斷重大植物疫情，對于提升重大植物疫情防范管理效果具有至關重要的作用。本系統的診斷系統，以安卓手機系統為基礎創建智能診斷系統。其結構構架包括：(1)數據層，為了能夠應對不同類型重大植物疫情的診斷需求，實現對重大植物疫情的準確診斷，本系統創建了SQLite數據庫，該數據庫能夠對各種重大植物疫情的相關數據信息進行儲存，并采用數據訪問技術，實現對不同數據的各種操作，例如刪除、更新以及查詢等，顯著提升手機APP的運行效率[17]。(2)服務層，該層包括MATLAB平臺、安卓系統開發平臺、工作流引擎、手機APP、組件服務以及面向對象的架構，通過安卓平臺和SQLite數據庫，創建重大植物疫情智能診斷系統手機APP。為了保證智能診斷系統的準確性，由相關領域專家對系統的診斷功能進行分析、評估和判斷[18]。(3)應用層，該層主要根據用戶的類型和實際需求，設置多元化的應用管理功能，針對區域用戶，管理功能包括數據分析功能、數據應用功能、專家診斷功能、病蟲害診斷功能、區域管理功能；針對企業用戶，管理功能包括數據分析功能、數據應用功能、專家診斷功能、病蟲害診斷功能、企業管理功能等；針對種植戶，管理功能包括數據分析功能、數據應用功能、專家診斷功能、病蟲害診斷功能、種植戶管理功能等；針對散戶，管理功能包括專家診斷功能、病蟲害診斷功能以及散戶管理功能。(4)展示層，通過利用安卓手機能夠實現動態人機交互，為重大植物疫情的診斷提供快捷、方便的交互界面，用戶通過手機APP進行各種操作和管理，科研人員、植物疫情專家等通過本系統采集各種植物疫情的數據信息，研究和總結針對不同重大植物疫情的發生特點、解決方案等，其他用戶通過手機APP獲取最新、最有效的疫情處理方案，即本系統為重大植物疫情的解決提供了攜帶方便、查詢簡便的診斷和決策系統，通過各個用戶的協作，快速將重大植物疫情解決。(5)用戶層，本系統將用戶分為區域用戶、企業用戶、種植戶以及散戶四種，并針對不同用戶設置不同的功能，方便不同用戶的操作和管理。智能診斷系統能夠針對各種重大植物疫情的診斷和治理方法進行歸納和總結，例如大豆疫霉菌，可以采用甲霜靈、嘧菌酯、烯酰嗎啉等進行防治；紅蜘蛛，可以采用諾普信尼滿諾、金滿枝、噠螨靈等進行防治；黑斑病，可以采用百菌清、杜邦福星、石硫合劑等進行防治。

2.4 視頻會議系統

重大植物疫情發生后，如果缺乏便捷、通暢的指揮系統，則會延誤重大植物疫情防控的關鍵時機，導致疫情進一步擴大。因此，本系統設計了視頻會議系統，視頻會議系統的功能主要包括以下幾個方面：(1)視頻會議終端功能，包括音頻功能和視頻功能，音頻方面支持眾多音頻標準，例如G.729、MP3等，支持音頻輸入和輸出，能夠實現音頻的多樣調節，例如控制噪音、抵消回聲、唇音同步等；視頻方面支持眾多視頻格式，例如MOV、VOB、AVI、RMVB、MKV、XV等，支持視頻輸入和輸出，能夠實現視頻的多樣調節，例如識別視頻信號、視頻格式轉換、內置畫中畫等。(2)多元接口功能，重大植物疫情管理工作需要多門共同參與和管理，為了方便不同部門和個人都能夠參與到疫情視頻管理會議，本系統設計了眾多不同類型的接口，例如V.35接口、E1接口以及以太網接口等。本系統支持數據會議，并且可以同時接入200個會議終端，方便不同部門之間針對重大植物疫情的聯合討論、商議，通過多方的協作盡快將疫情解決，降低其造成的危害。(3)流媒體廣播功能，本系統不僅支持會議直播，還具備流媒體組播功能和廣播功能，對廣域網、局域網的會議視頻進行錄像，在局域網上進行點播、回放等操作。(4)控制臺功能，主要包括終端分組管理、終端視頻和音頻監控功能、綜合管理控制以及網絡綜合配置管理等。

2.5 阻截系統

阻截管理系統的核心作用是分析重大植物疫情的數據信息，并制定阻截防控決策[19]。本系統的阻截系統結構包括：(1)數據管理子系統，主要功能是錄入數據信息、查詢數據信息、導出數據信息以及共享數據信息。(2)阻截管理子系統，該子系統的功能是對疫情數據信息進行綜合分析，做好風險評估工作，制定疫情防控決策。(3)阻截技術信息子系統，該子系統主要功能包括系統技術管理、信息維護管理、備份管理等。(4)統計報表子系統，該子系統主要功能是對疫情數據信息進行統計，繪制統計報表，采用Excel表格的方式輸出，方便查看。

3 福建省大豆疫霉菌疫情管理實踐

福建省對重大植物疫情管理工作非常重視，尤其是大豆疫病在福建發生十分嚴重，已成為當地大豆的重要病害[20]。該病造成的產量損失一般為25%～50%，嚴重的可達80%以上，部分地塊甚至絕收[21]。在福建廈門召開的全國農業植物檢疫性有害生物聯合監測與防控協作組會，對農業植物有害生物疫情的監測、防控、阻截等工作進行了詳細的研究和科學的部署[22]。為了驗證本系統的現實價值，以福建省大豆主產區——漳州和廈門大豆疫霉菌管理為例，通過監測預警系統對大豆疫霉菌的分布情況、病害情況等信息進行采集和分析，監測預警流程示意圖如圖5所示。

利用地理信息系統繪制大豆疫霉菌的專題圖，進一步確定大豆疫霉菌的發病范圍；利用智能診斷系統，對大豆疫霉菌的病害特征等進行分析，確定大豆疫霉菌的群體結構動態規律，為大豆疫情的防控提供準確、可靠的決策信息，智能診斷系統的架構如圖6所示。

通過利用視頻會議系統能夠及時對疫情防控工作進行開會商議和實時指導，盡可能降低疫情造成的損失。本系統的視頻會議系統以H.320、H.323框架協議為基礎，能夠和省、市、縣黨政部門、植保部門等進行聯網，各部門和人員通過本視頻會議系統對重大植物疫情進行聯合協商。福建省，廈門市和漳州市的植保部門、農業部門、種植企業、散戶等進行討論和交流，商議大豆霉菌的預防和控制方案，集合群策群力。利用阻截系統的阻截管理子系統，其執行流程如圖7所示。

圖5 監測預警流程示意圖

圖6 基于安卓手機系統為基礎的智能診斷系統結構示意圖

利用統計報表子系統，制定大豆疫霉菌的防治對策，為了保證防治對策的有效性，采用實驗的方式對大豆疫霉菌的藥物敏感性進行測定，選取2市3地各60株菌株，合計180株大豆疫霉菌(2018—2020年)，采用95%嘧菌酯、98%甲霜靈，在黑麥培養基、胡蘿卜培養基中，對其藥劑敏感性進行測定，結果如表1和表2所示。根據實驗結果發現大豆疫霉菌的抗藥性監測結果呈現無明顯差異，但發生風險呈上升趨勢。從而相應的對疫情防控方案進行科學的調整，通過實驗和實踐，98%甲霜靈能夠有效地防治大豆疫病，值得廣泛地推廣和應用。

圖7 阻截系統執行示意圖

表1 菌株對98%甲霜靈的有效抑制中濃度結果表Tab. 1 Table of effective inhibitory concentration results of strains on 98% metalaxyl mg/L

表2 菌株對95%嘧菌酯的有效抑制中濃度結果表Tab. 2 Results table of effective inhibitory concentration of strains on 95% azoxystrobin mg/L

4 結論

綜上所述，目前重大植物疫情形勢嚴峻，尤其是全球化貿易時代背景下，增加了我國重大疫情管理工作的難度，需要創建科學的重大植物疫情管理信息系統，以便于更好的應對新時代的挑戰。

1) 在進行重大植物疫情管理信息系統設計時，需要遵循經濟性、穩定性以及保密性原則，實現一種全新的，可升級，可擴展，可復用，可移植的信息管理系統結構。

2) 本文設計的重大植物疫情管理信息系統，主要由監測系統模塊、地理信息系統模塊、診斷系統模塊、視頻會議系統模塊以及阻截系統模塊等部分組成，各系統模塊具備多元化的功能。

3) 本系統能夠實現對重大植物疫情信息的全面采集、動態監控，實時顯示疫情的動態情況，并為疫情決策的制定提供可靠參考，繪制Excel統計表格，既方便快捷，又能夠降低人工工作量，并為其他區域類似重大植物疫情管理提供可靠的參考。

4) 基于福建省大豆疫霉菌疫情管理實踐，充分利用本系統各子系統的功能，能夠顯著提高重大植物疫情防控水平，具有較高的推廣價值。